СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2002 года по МПК C04B38/08 C04B28/26 C04B28/26 C04B14/16 C04B14/20 

Изобретение относится к сырьевым смесям и может быть использовано для изготовления теплоизоляции, применяемой в промышленных тепловых агрегатах, в частности для теплоизоляции внутренних полостей крышек корпусов и камер сгорания газотурбинных установок, служащих для перекачки магистрального природного газа.

Известна сырьевая смесь для изготовления теплоизоляции торкретированием, включающая, мас. %: жидкое стекло (в пересчете на сухое вещество) 2-8, отвердитель 3-10, керамзитовый песок 10-30, вермикулит (предварительно нагретый при температуре 300-350^oС) 52-85 (SU, авторское свидетельство, 722882, кл. С 04 В 38/08, 28/24, заявл. 02.03.1978). Однако при воздействии температуры выше 350^oС объем теплозащитного слоя за счет довспучивания вермикулитовой руды увеличивается, что может привести к его растрескиванию и разрушению.

Известна сырьевая смесь для изготовления теплоизоляции торкретированием или формованием, включающая, мас.%: жидкое стекло 25-32, асбестовые отходы 41-55, вермикулит 3-6 и тонкомолотую топливную золошлаковую смесь 17-21 (SU, авторское свидетельство, 1203059, кл. С 04 В 18/30, 28/26, заявл. 05.07.1984).

Поскольку изготовленная из указанной сырьевой смеси теплоизоляция рассчитана на температуру не выше 600^oС и имеет невысокую виброударную стойкость, обусловленную хрупкостью асбестовых отходов, это ограничивает возможности ее применения в современных высокотемпературных и высоконагруженных теплоагрегатах. Использование в составе смеси асбестовых отходов также ограничивает ее применение из-за экологических требований.

Наиболее близкой к заявляемой сырьевой смеси по решаемой технической задаче - прототипом является композиция, содержащая, мас.%: стекловолокно 70-80, глину 5-15, вермикулит 5-10, жидкое стекло 5-10 (RU, патент, 2104252, кл. С 04 В 14/38, заявл. 24.01.1996).

Недостаток известной сырьевой смеси состоит в том, что в процессе термообработки полученного из нее теплоизоляционного материала при температуре 600-800^oС происходит сильное парообразование и вспучивание вермикулита, приводящие к значительным неконтролируемым объемным изменениям, нарушающим когезионную связь со стекловолокном и способным вызвать растрескивание и разрушение теплоизоляционного материала, в результате чего его эксплуатационные характеристики снижаются. Особенно сильно потеря геометрической стабильности теплоизоляции происходит в условиях градиента температуры по ее толщине, достигающего, например, в газотурбинных установках величины 600-700^oС и воздействии при этом значительных вибрационных нагрузок. Кроме того, использование стекловолокна в технологическом процессе приготовления смеси требует дополнительных защитных мер для предотвращения попадания волокон в окружающий воздух, что усложняет и удорожает процесс приготовления.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик теплоизоляции, изготавливаемой из предлагаемой сырьевой смеси, а также упрощение и удешевление процесса приготовления смеси. Достигаемый технический результат заключается в повышении геометрической стабильности теплоизоляции в условиях повышенных градиентов температуры и вибрационных нагрузок, а также в исключении ряда промежуточных операций из технологического процесса и снижении его энергоемкости.

Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь для изготовления теплоизоляции, включающая неорганический заполнитель, вермикулитовый компонент, глину и жидкое стекло, согласно изобретению в качестве неорганического заполнителя содержит пористые гранулы фракции 2-10 мм, а в качестве вермикулитового компонента - вспученный вермикулит фракции 1-2 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %: пористые гранулы фракции 2-10 мм 45-55, вспученный вермикулит фракции 1-2 мм 3-10, глина 3-8, жидкое стекло 30-40. Кроме того, пористые гранулы могут быть выполнены в виде капсул.

Использование в предлагаемой сырьевой смеси пористых гранул фракции 2-10 мм в количестве 45-55 мас.% обеспечивает возможность получения достаточно однородной смеси со стабильной объемной массой и сохранение геометрической стабильности теплоизоляции за счет повышения несущей способности шаровой упаковки из гранул, образующейся в объеме теплоизоляции. Изменения размера гранул и их содержания в смеси, выходящие за указанные пределы, приводят к образованию неоднородностей в объеме шаровой упаковки (локальных пустот или участков с существенно разной плотностью), снижающих прочностные и теплофизические характеристики материала.

Использование вспученного вермикулита обеспечивает повышенную термостойкость изготавливаемой теплоизоляции вследствие высокой структурной стабильности вермикулита, которую он приобретает после проведения процесса вспучивания при температуре порядка 900^oС и затем сохраняет в широком диапазоне температур - от комнатной до 1100-1200^oС.

Кроме того, вспученный вермикулит, обладая слоистой структурой с развитой поверхностью, хорошо удерживает жидкое стекло, обеспечивая его более равномерное распределение в объеме сырьевой композиции, и наряду с добавками глины способствует лучшему склеиванию контактных участков поверхностей керамзитовых гранул и формированию в этих участках низкотеплопроводных прослоек, уменьшающих общую теплопроводность теплоизоляционного материала, а также снижающих воздействие на теплоизоляцию вибраций, ударов и термонапряжений, возникающих при ее работе. При соблюдении указанных диапазонов размера частиц (1-2 мм) и содержания вермикулита (3-10 мас.%) достигается достаточно равномерное распределение указанных прослоек между гранулами керамзита.

Глина в сырьевой смеси выполняет функции пластификатора. В частности, может быть использована глина латнинская марки ЛТ-1 ПК (ТУ 14-8-142-75). В процессе термообработки теплоизоляционного материала, изготавливаемого из сырьевой смеси, глина взаимодействует с жидким стеклом и взятая в указанных соотношениях (3-8 мас.%) обеспечивает повышенную пластичность и однородность композиции, а при последующей эксплуатации теплоизоляции в условиях высоких темпратур и вибрационных нагрузок обеспечивает сохранение ее повышенной термостойкости за счет образования высокопрочной алюмосиликатной связки в результате взаимодействия жидкого стекла с глинистым компонентом.

Жидкое стекло в составе сырьевой смеси играет роль связующего компонента как на стадии приготовления теплоизоляционного материала, так и при рабочих температурах. В теплоизоляционном материале жидкое стекло, начиная с температуры 600^oС, частично образует расплав силиката натрия, который в виде мелкопористой массы распределяется между гранулами, и при указанных соотношениях (30-40 мас.%) обеспечивает более равномерное объемное распределение пор в материале.

Использование пористых гранул, выполненных в виде капсул, имеющих оболочку, более прочную, чем сердцевина, позволяет повысить геометрическую стабильность теплоизоляции в условиях повышенных вибрационных нагрузок. За счет преимущественно поверхностного обволакивания капсул жидким стеклом уменьшается их слипание и агломерация в процессе приготовления сырьевой смеси, что снижает энергозатраты на ее приготовление и повышает производительность процесса.

Приготовление сырьевой массы включает общепринятые операции дозирования и смешивания исходных компонентов. Полученная сырьевая смесь может использоваться в качестве теплоизоляционного заполнителя в полостях тепловых агрегатов или из нее формуются изделия - теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные блоки заданной формы и размеров.

В качестве пористого гранулированного заполнителя могут быть использованы гранулы таких легких заполнителей, получаемых обжигом со вспучиванием, как, например, керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, шунгизит, трепел и др. Также могут быть использованы такие высокотемпературные пористые керамические гранулы на основе алюмосиликатов, как, например, носители катализаторов, гранулы для расклинивания нефтяных пластов и т.д.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. При приготовлении сырьевой смеси, предназначенной для получения теплоизоляции набивного типа, используют следующие исходные компоненты:
- керамзит (ГОСТ 9759-71), фракция 4-10 мм, насыпной вес 380-500 кг/м³, прочность при сдавливанни в цилиндре - до 5,5 МПа;
- вермикулит вспученный (ГОСТ 12865-67), фракция 1-2 мм, насыпной вес 150-220 кг/м³;
- порошок глины молотый (ТУ 1489074);
- стекло натриевое жидкое (ГОСТ 13078-81), плотность 1,45 г/см³, силикатный модуль 3,0.

Приготавливают сырьевую смесь следующего состава, мас.%: керамзит 52, вспученный вермикулит 7, жидкое стекло 36, глина 5. В смеситель барабанного типа загружают керамзитовые гранулы в количестве 1 мас.ч. и при постоянном перемешивании небольшими частями добавляют 0,7 мас.ч. жидкого стекла. Перемешивание ведут в течение 3-5 мин до полного смачивания поверхности гранул жидким стеклом. Затем порционно добавляют 0,1 мас.ч. порошка молотой глины с перемешиванием в течение 1-3 мин. В заключение небольшими порциями при постоянном перемешивании загружают 0,13 мас.ч. порошка вспученного вермикулита и ведут перемешивание в течение 3-5 мин до получения равномерной без комков смеси. Полученной смесью заполняли полости корпуса газотурбинного агрегата, служащего для перекачки природного газа. Заполнение вели послойно, слоями толщиной 100-120 мм, с уплотнением каждого слоя вручную специальными толкателями или вибратором. Плотность набивки 600-700 кг/м³. Для контроля качества набивки и последующего выхода из нее паров воды в корпусе агрегата предусмотрено по 4-6 технологических отверстий диаметром 10-15 мм в каждом из контролируемых сечений. Высушивали набитую смесь при работе агрегата на дежурной горелке в течение 6-8 час. Полученная теплоизоляция имеет прочность на сжатие 18-20 МПа, теплопроводность 0,08-0,10 Вт/м•К.

На фиг. 1 приведена термограмма корпуса турбоагрегата (турбоагрегат 48, КС-12, г. Микунь, 000 "Севергазпром") с набивной теплоизоляцией из предлагаемой сырьевой смеси после 8 тыс. часов работы. Рабочая температура на горячей стенке корпуса 770-780^oС. Для сравнения на фиг.2 также после 8 тыс. часов работы, приведена термограмма корпуса аналогичного турбоагрегата 46 со штатной набивной теплоизоляцией из каолиновой ваты с добавками бентонитовой глины. Основные характеристики штатной теплоизоляции близки к характеристикам теплоизоляции по прототипу (плотность 320 кг/м³, прочность при сжатии 10 МПа, теплопроводность 0,2 Вт/м•К). Видно, что температура на поверхности корпуса, заполненного теплоизоляцией из предлагаемой сырьевой смеси, существенно ниже (на 45-55^oС), чем со штатной теплоизоляцией, которая подвержена деструкции в условиях вибраций и высокой температуры. Снижение тепловых потерь при использовании теплоизоляции из предлагаемой сырьевой смеси в данном случае обеспечивает увеличение кпд турбоагрегата на 1,5-2%.

Пример 2. При приготовлении сырьевой смеси, предназначенной для получения теплоизоляции набивного типа, в качестве пористого заполнителя используют вспученные гранулы алюмосиликатного материала на основе трепела (фракция 2-8 мм, насыпной вес 200-250 кг/м³, прочность при сжатии 0,72-0,81 МПа, теплопроводность 0,074-0,077 Вт/м•К). Остальные исходные компоненты и режимы приготовления смеси аналогичны приведенным в примере 1. В барабанном смесителе приготавливают смесь следующего состава, мас.%: гранулы алюмосиликатного материала на основе трепела 55, вспученный вермикулит 3, жидкое стекло 39, глина 3. Как и в примере 1, полученной смесью заполняли полости корпуса газотурбинного агрегата, служащего для перекачки природного газа. Высушивали набитую смесь при работе агрегата на дежурной горелке в течение 6-8 час. Полученная теплоизоляция имеет плотность 340-350 кг/м³, прочность на сжатие 16-17 МПа, теплопроводность 0,08-0,09 Вт/м•К.

Пример 3. При приготовлении сырьевой смеси, предназначенной для получения теплоизоляционных блоков, используют аглопорит (ГОСТ 119911-66), фракция 4-10 мм, насыпной вес 490-650 кг/м³, прочность при сдавливании в цилиндре - до 3,5 МПа.

Остальные исходные компоненты и режимы приготовления смеси аналогичны приведенным в примере 1. В барабанном смесителе приготавливают смесь следующего состава, мас.%: аглопорит 45, вспученный вермикулит 10, жидкое стекло 38, глина 7. Полученную сырьевую смесь выгружают из смесителя и на вибропрессе типа ВИП-6ПБ формуют из нее блоки с размерами 250•250•80 мм, которые затем сушат при температуре 70-80^oС и термообрабатывают при температуре 550-600^oС. Блоки имеют прочность на сжатие 15-16 МПа, теплопроводность 0,11-0,12 Вт/м•К. Они предназначены для виброустойчивой теплоизоляции корпусов камер сгорания и регенераторов в турбоагрегатах, служащих для перекачки природного газа.

Составы сырьевой смеси приведены в табл. 1. Свойства теплоизоляционного материала приведены в табл. 2.

Из примеров осуществления видно, что в сравнении с прототипом предлагаемая сырьевая смесь не содержит каких-либо волокнистых материалов, представляющих экологическую опасность как при приготовлении смеси, так и при эксплуатации теплоизоляции. Изготавливаемая из сырьевой смеси теплоизоляция характеризуется более высокими значениями прочности и термостойкости, теплоизоляционные изделия сохраняют высокую геометрическую стабильность при воздействии вибрационных нагрузок, имеющих место в теплоэнергетическом оборудовании. Процесс изготовления сырьевой смеси упрощается, так как из него исключаются операции увлажнения и измельчения, а формование теплоизоляционных изделий вибропрессованием существенно снижает энергоемкость процесса получения изделий.

Изобретение относится к сырьевым смесям для изготовления теплоизоляции, применяемой в промышленных тепловых агрегатах, в частности для теплоизоляции внутренних полостей крышек корпусов и камер сгорания газотурбинных установок, служащих для перекачки магистрального природного газа. Сырьевая смесь содержит, мас. %: пористые гранулы фракции 2-10 мм - 45-55; вспученный вермикулит фракции 1-2 мм -3-10; глина - 3-8; жидкое стекло - 30-40. Пористые гранулы могут быть выполнены в виде капсул, например, из керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы, шунгизита, трепела и других материалов на основе алюмосиликатов. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик теплоизоляции набивного и блочного типов. 1 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляции, включающая неорганический заполнитель, вермикулитовый компонент, глину и жидкое стекло, отличающаяся тем, что в качестве неорганического заполнителя она содержит пористые гранулы фракции 2-10 мм, а в качестве вермикулитового компонента - вспученный вермикулит фракции 1-2 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Пористые гранулы фракции 2-10 - 45-55
Вспученный вермикулит фракции 1-2 мм - 3-10
Глина - 3-8
Жидкое стекло - 30-40
2. Сырьевая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что пористые гранулы выполнены в виде капсул.